卫星变轨问分析.pdf

卫星变轨问题 随着我国载人航天的成功，特别是“嫦娥一号”探月卫星的顺 利发射，变轨问题逐渐成为高考命题的热点，近几年高考中多次出 现涉及变轨问题的高考题。但是由于变轨问题涉及的相关知识较多, 综合性较强,而在物理教材中只是一带而过,使许多学生对卫星在运 行速率发生变化时卫星的轨道随之发生变化的规律感到困惑不解， 存在一些模糊和错误认识，本文就针对变轨问题中的一些典型错题 进行分析，以期对学生正确理解变轨问题有所帮助。 一、不清楚变轨原因导致错解 分析变轨问题时,首先要让学生弄明白两个问题:一是物体做圆 周运动需要的向心力,二是提供的向心力。只有当提供的力能满足它 需要的向心力时,即“供”与“需”平衡时,物体才能在稳定的轨道上 做圆周运动，否则物体将发生变轨现象——物体远离圆心或靠近圆 心。当卫星受到的万有引力不够提供卫星做圆周运动所需的向心力 时，卫星将做离心运动，当卫星受到的万有引力大于做圆周运动所需 的向心力时卫星将在较低的椭圆轨道上运动，做近心运动。导致变轨 的原因是卫星或飞船在引力之外的外力，如阻力、发动机的推力等作 用下，使运行速率发生变化，从而导致供与需不平衡而导致变轨。 这是卫星或飞船的不稳定运行阶段，不能用公式 分析速度变 化和轨道变化的关系。 例一：宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空 间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是 A. 飞船加速直到追上空间站，完成对接 B. 飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对 接 C. 飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接 D. 无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接 图1 错解：选A。错误原因分析：不清楚飞船速度变化导致供与需不 平衡而导致出现变轨。 答案：选B 。分析：先开动飞船上的发动机使飞船减速，此时万有 引力大于所需要的向心力，飞船做近心运动，到达较低轨道时，由 3 Mm 2 2 r G 2 m( ) r 得T 2 ，可知此时飞船运行的周期小于空间站 r T GM 的周期，飞船运行得要比空间站快。当将要追上空间站时，再开动飞 船上的发动机让飞船加速，使万有引力小于所需要的向心力而做离心 运动，到达空间站轨道而追上空间站，故B 正确。如果飞船先加速， 它受到的万有引力将不足以提供向心力而做离心运动，到达更高的轨 道，这使它的周期变长。这样它再减速回到空间站所在的轨道时，会 看到它离空间站更远了，因此C 错。 二、不会分析能量转化导致错解 例二：人造地球卫星在轨道半径较小的轨道A 上运行时机械能为E ， A 它若进入轨道半径较大的轨道B 运行时机械能为E ，在轨道变化后这 B 颗卫星( ) A、动能减小，势能增加，E ＞E B A B、动能减小，势能增加，E =E B A C、动能减小，势能增加，E ＜E B A D、动能增加，势能增加，E ＞E B A 错解：选D。错误原因分析： 没有考虑到变轨过程中万有引力做 功导致错解。 答案：选A。要使卫星由较低轨道进入较高轨道，必须开动发动机 使卫星加速，卫星做离心运动。在离心运动过程中万有引力对卫星做 负功，卫星运行速度的大小不断减小，动能不断减小而势能增大。由 于推力对卫星做了正功，因此卫星机械能变大。 三、对椭圆轨道特点理解错误导致错解 例三 发射地球同步卫星时